穩(wěn)態(tài)法測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)

1、穩(wěn)態(tài)法測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)l=JI三三TC-3型導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀實(shí)驗(yàn)講義杭州富陽精科儀器有限公司（原杭州富陽電表廠）導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)是表征物質(zhì)熱傳導(dǎo)性質(zhì)的物理量。材料結(jié)構(gòu)的變化與含雜志等因素都會(huì)對(duì)導(dǎo)熱 數(shù)產(chǎn)生明顯的影響，因此，材料的導(dǎo)熱系數(shù)常常需要通過試驗(yàn)來具體測(cè)定。測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù) 的方法比較多，但可以歸并為兩類基本方法：一類是穩(wěn)態(tài)法，另一類為動(dòng)態(tài)法。用穩(wěn)態(tài)法 時(shí)，先用熱源對(duì)測(cè)試樣品進(jìn)行加熱，并在樣品內(nèi)部形成穩(wěn)定的溫度分布，然后進(jìn)行測(cè)量。 而在動(dòng)態(tài)法中，待測(cè)樣品的溫度分布是隨時(shí)間變化的，例如按周期性變化等。本試驗(yàn)采用 穩(wěn)態(tài)進(jìn)行測(cè)量?！驹囼?yàn)?zāi)康摹坑梅€(wěn)態(tài)法側(cè)出不良導(dǎo)熱體的導(dǎo)熱系數(shù)，并與理論值進(jìn)行比較?！?/p>

2、試驗(yàn)原理】根據(jù)傅立葉導(dǎo)熱方程式，在物體內(nèi)部，取兩個(gè)垂直與熱傳導(dǎo)方向、彼此間相距為h、溫 度分別為T1、T2的平行平面（設(shè)T1T2）,若平面面積為S,在時(shí)間內(nèi)通過面積S的熱量 Q滿足下述表達(dá)式：式中手為熱流量,人即為該物質(zhì)的熱導(dǎo)率（又稱作導(dǎo)熱系數(shù)）,人在數(shù)值上等于相距單位長(zhǎng)度 I It-的兩平面的溫度相差1個(gè)單位時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的熱量，其單位是Wm-1 -k-1。本試驗(yàn)儀器如圖所示：冰粗.圖1穩(wěn)態(tài)法測(cè)定導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)組裝圖在支架上先放上圓銅盤P，在P的上面放上待側(cè)樣品B （圓盤形的不良導(dǎo)體），再把帶發(fā) 熱器的圓銅盤A放在B上，發(fā)熱器通電后，熱量從A傳到B盤，在傳到P盤，由于A、P 盤都是

3、良導(dǎo)體，其溫度即可以代表B盤上、下表面的溫度T1、T2, T1、T2分別由插入A、 P盤邊緣小孔熱電偶E來測(cè)量。熱電偶的冷端則浸在杜瓦瓶中的冰水混合物中，通過“傳感 切換”開關(guān)G,切換A、P盤中的熱電偶與數(shù)字電壓表的連接回路。由式（1）可以知道， 單位時(shí)間內(nèi)通過待測(cè)樣品B任一圓截面的熱流量為（2）乂 T - T B- =人 T2兀R2 / hb B（2）公式中Rb為樣品的半徑，hb為樣品的厚度，當(dāng)然傳導(dǎo)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，T1、T2的值不變，于是通過B盤上表面的熱流量與由銅盤P向周圍環(huán)境散熱的速度相等，因此，可通過銅盤P在穩(wěn)定溫度T時(shí)的散熱速度來求出熱流量票。試驗(yàn)中，在讀得穩(wěn)定時(shí)的T、 2Ar1和

4、T2后，即可將B盤移去，而使盤A的底面與銅盤P接觸。當(dāng)盤P的溫度上升到高于穩(wěn)定時(shí)的T2值若干攝氏度后，再將圓盤A移開，讓銅盤P自然冷卻。觀察其溫度T隨時(shí)間l=T 2，而 mCT變化情況同，然后由求出銅盤在T的冷卻速率|=T，而mcT=T二（口為 2 / l=T 2，而 mC紫銅盤P的質(zhì)量，C為銅材的比熱容）就是紫銅盤P在溫度為T2時(shí)的散熱速度。但要注意，這樣求出的Y是紫銅盤的全部表面暴露與空氣中的冷卻速率，其散熱表面積為2兀R2+2兀R h （其中R與h分別為紫銅盤的半徑與厚度）。然而在觀察測(cè)試樣品的穩(wěn)態(tài) 傳熱時(shí)，P盤的上表面（面積為兀R2p）是被樣呂覆蓋著的?？紤]到物體的冷卻速率與它的 表面

5、積成正比，則穩(wěn)態(tài)時(shí)銅盤散熱速率的表達(dá)式應(yīng)作如下修正：退）以匚2產(chǎn)”（3）/ （2丸 R2p + 2丸 Rphp）將式（3）代入（2），得：攔血匹氣+2hMJ （2R + 2h ）（孔沔R2B【試驗(yàn)儀器】試驗(yàn)采用杭州富陽精科儀器有限公司生產(chǎn)的TC3型導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀。該儀器采用低 于36V的隔離電壓作為加熱電源，安全可靠。整個(gè)加熱圓筒可上下升降和左右轉(zhuǎn)動(dòng)，發(fā)熱圓 盤和散熱圓盤的側(cè)面有一小孔，為放置熱電偶之用。散熱盤P放在可以調(diào)節(jié)的三個(gè)螺旋頭上， 可使待側(cè)樣品盤的上下兩個(gè)表面與發(fā)熱圓盤和散熱圓盤緊密接觸。散熱盤P下方有一個(gè)軸流 式風(fēng)扇，用來快速散熱。兩個(gè)熱電偶的冷端分別插在放有冰水的杜瓦瓶中的兩根玻

6、璃管中。 熱端分別插入發(fā)熱圓盤和散熱圓盤的側(cè)面小孔內(nèi)。利用面板上的開關(guān)可方便地直接側(cè)出兩個(gè) 溫差電動(dòng)勢(shì)，溫差電動(dòng)勢(shì)采用量程為20mV的數(shù)字電壓表測(cè)量，再根據(jù)附錄的銅一康銅分度 表轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的溫度值。儀器設(shè)置了數(shù)字計(jì)時(shí)裝置，計(jì)時(shí)范圍166mim，分辨率1S，供實(shí)驗(yàn)時(shí)計(jì)時(shí)用。儀器還設(shè)置了 PID自動(dòng)溫度裝置，控制精度1 C，分辨率0.1 C，供實(shí)驗(yàn)時(shí)加熱溫度用?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容】在測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)前應(yīng)先對(duì)散熱盤P和待測(cè)樣品的直徑、厚度進(jìn)行測(cè)量。1、用游標(biāo)卡尺測(cè)量待測(cè)樣品直徑和厚度，各測(cè)5次。2、用游標(biāo)卡尺測(cè)量散熱盤P的直徑和厚度，各5次，按平均值計(jì)算P盤的質(zhì)量。也可直接 用天平稱出P盤的質(zhì)量。一、不良導(dǎo)體導(dǎo)

7、熱系數(shù)的測(cè)量1、實(shí)驗(yàn)時(shí)，先將待測(cè)樣（例如硅橡膠圓片）放在散熱盤上面，然后將發(fā)熱盤A放在樣品 盤B上方，并用固定螺旋母固定在機(jī)架上。再調(diào)節(jié)三個(gè)螺旋頭，使樣品盤的上下表面 與發(fā)熱盤和散熱盤緊密接觸。2、在杜瓦瓶中放入冰水混合物，將熱電偶的冷卻端（黑色）插入杜瓦瓶中。將熱電偶的熱 端（紅色）分別插入加熱盤A和散熱盤P側(cè)面的小孔中，并分別將其插入加熱盤A和 散熱盤P的熱電偶接線連接到儀器面板的傳感器I、II上。分別用專用導(dǎo)線將儀器機(jī)箱 后部分與加熱組件圓鋁板上的插座間加以連接。3、接通電源，在“溫度控制”儀表上設(shè)置加溫的上限溫度（具體操作見附錄4）。將加熱 選擇開關(guān)由“斷”打向“13任意一檔，此時(shí)指示

8、燈亮，當(dāng)打向“3”檔時(shí)，加溫速度 最快，如PID設(shè)置的上限溫度為100C時(shí)。當(dāng)傳感器I的溫度讀數(shù)Vt 1為4.2mV，可將 開關(guān)打向“2”或“1”檔，降低加熱電壓。4、傳感器I、II的讀數(shù)不再上升（Vt 1和Vt2的數(shù)值在10min內(nèi)的變化小于0.03mV,約需40分鐘，視不同的試驗(yàn)條件而不同）時(shí)，說明已達(dá)到穩(wěn)態(tài)，每隔3分鐘紀(jì)錄Vt 1和Vt2 的值。5、在試驗(yàn)中，如需掌握利用直流電位差計(jì)，通過熱電偶來測(cè)量溫度的內(nèi)容，可將“傳感器 切換”開關(guān)轉(zhuǎn)至“外接”，在“外接”兩接線柱上UJ36a型直流電位差計(jì)的“未知端即 可測(cè)量散熱銅盤上熱電偶在溫度變化時(shí)所產(chǎn)生的電壓差（具體操作方法見附錄3 ）6、測(cè)量

9、散熱盤在穩(wěn)態(tài)值T附近的散熱速度率（退）。移開銅盤A，取下橡膠盤，并使2 /銅盤A的低面與銅盤P直接接觸，當(dāng)P盤的溫度上升到高于穩(wěn)態(tài)的V t 2值。根據(jù)測(cè)量 值計(jì)算出散熱速率 匹。*二、金屬導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量1、先將兩快樹脂圓環(huán)套在金屬筒兩端涂上導(dǎo)熱硅脂，然后把圓柱體金屬鋁棒（廠家提供） 置于發(fā)熱圓盤之間。調(diào)節(jié)散熱盤P下方的三顆螺絲，使金屬圓筒與加熱盤A及散熱盤P緊 密接觸。2、當(dāng)發(fā)熱盤與散熱盤達(dá)到穩(wěn)定的溫度分布后，T1、T2值為金屬樣品上下兩個(gè)面的溫度，此時(shí)散熱盤P的溫度為上值。因此測(cè)量P盤的冷卻速度為:人=mT = TX X12測(cè)T3值時(shí)可在T1、T2達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，將插在發(fā)熱圓盤與散熱圓盤中的熱電

10、偶取出，分別插入金屬圓柱體上下兩孔中進(jìn)行測(cè)量。三、當(dāng)測(cè)量空氣的導(dǎo)熱系數(shù)時(shí)，通過調(diào)節(jié)三個(gè)螺旋頭，使發(fā)熱圓盤與散熱圓盤的距離為h， 并用塞尺進(jìn)行測(cè)量(即塞尺的厚度)，此距離即為待測(cè)空氣層的厚度。注意：由于存在 空氣對(duì)流，所以此距離不宜過人?！咀⒁馐马?xiàng)】1、放置熱電偶的散熱圓盤側(cè)面的小孔應(yīng)與杜瓦瓶同一側(cè)，避免熱電偶線相互交叉。2、試驗(yàn)中，抽出被測(cè)樣品時(shí)，應(yīng)先旋松加熱圓筒側(cè)面的緊定螺釘。樣品取出后，小心 將加熱圓筒降下，使發(fā)熱盤與散熱盤接觸，應(yīng)防止高溫燙傷?！緮?shù)據(jù)與結(jié)果】1、試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄(銅的比熱c=0.09197cal.gt. Ct，比重8.9g/cm3 )散熱盤P：質(zhì)量m=(g) 半徑R=2D=(

11、cm)12345Dp (cm)h (cm)橡膠盤：半徑R廣2 db =(cm)12345D B (cm)h B (cm)穩(wěn)態(tài)時(shí)T1、T2的值（轉(zhuǎn)換見附錄2的分度表）TT2 =12345V T 1(mV)V T 2(mV)散熱速率:時(shí)間（秒）306090120150180210240T2 (mV)2、據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算出不良導(dǎo)熱體的導(dǎo)熱系數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)單位換算:1cal - g -C - i=418.68W/mK,（硅橡膠的導(dǎo)熱系數(shù)由于材料的特性不同，范圍為 0.0720.165W/mK,金屬鋁的導(dǎo)熱系數(shù)為285.25W/mK）,并求出相對(duì)誤差。附錄1試驗(yàn)舉例例：試驗(yàn)時(shí)室溫7.5 C,熱電偶冷端溫度

12、0 C。待測(cè)樣品：硬橡皮盤。直徑D廣13.02cm, 厚 h b =0.85 cm。黃銅盤質(zhì)量 m=1053g, c=0.09197cal - g C t,厚 h =0.95 cm。加熱置于高檔。2025分鐘后，改為低檔，每隔5分鐘讀取溫度示值見下表:VT1(mV)3.453.433.423.423.423.423.423.433.423.42VT 2(mV)2.412.422.432.442.442.442.452.452.452.45由于熱電偶冷端溫度為0 C,對(duì)一定材料的熱電偶而言。當(dāng)溫度變化范圍不太大時(shí)，其溫差電動(dòng)勢(shì)（mV）與待測(cè)溫度（C）的值為一常數(shù)。故可知穩(wěn)定之溫度對(duì)應(yīng)之電動(dòng)勢(shì)為T

13、=3.42mV 及 T 2 =2.45mV。測(cè)量黃銅在穩(wěn)態(tài)值T2附近的散熱速率時(shí)，每隔30S記錄的溫度示值見下表：T2 (mV)2.572.532.492.452.412.37計(jì)算硬橡皮的導(dǎo)熱系數(shù)：匚m*氣嘗 h ._/ （2 R + 2h ）（ - T）丸 R 2B=4.7 X 10 -4 cal s -1 cm -1 C-1 = 0.0020W - cmi - C-1其不確定度主要來源于冷卻速率這一項(xiàng)，即:竺=其不確定度主要來源于冷卻速率這一項(xiàng)，即:竺=0.13 0.16入七-5 T故：人=0.0003W - cm-i. C-i Mo因此：人 人=(0.0020 土 0.0003)W -

14、cm-i = (0.20 土 0.30)W - cm-i - C-iU。附錄3直流電位差計(jì)測(cè)電熱偶溫差電勢(shì)溫度(C)熱電勢(shì)（mV）0i2345678900.0000.0390.0780.ii70.i560.i950.2340.2730.3i20.35ii00.39i0.4300.4700.5i00.5490.5890.6290.6690.7090.74920.7890.8300.8700.9ii0.95i0992i.032i.073i.ii4i.i5530i.i96i.237i.279i.320i.36ii.403i.444i.486i.528i.56940i.6iii.653i.695i.7

15、38i.780i.882i.865i.907i.950i.992502.0352.0782.i2i2.i642.2072.2502.2942.3372.3802.424602.4672.5ii2.5552.5992.6432.6872.73i2.7752.8i92.864702.0982.9532.9973.0423.0873.0i3i3.i763.22i3.2662.864803.3573.4023.4473.4933.5383.5843.6303.6763.72i3.767903.3573.4023.4473.4933.5383.5843.6303.6763.72i4.23ii004.74

16、94.796489i4.9875.0355i3i5.i794.9395.i3i5.i79ii04.7494.7964.8444.89i4.9394.9875.0835.0835.i3i5i79附錄3直流電位差計(jì)測(cè)電熱偶溫差電勢(shì)一、電熱偶測(cè)溫原理熱電偶亦稱溫差電偶，是有A、B兩種不同材料的金屬絲的端點(diǎn)彼此緊密接觸而組成的。當(dāng)兩個(gè)接點(diǎn)處于 不同溫度時(shí)（如圖2），在回路中就有直流電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生，該電動(dòng)勢(shì)稱溫差電動(dòng)勢(shì)或熱電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)組成熱電偶 的材料一定時(shí)，溫差電動(dòng)勢(shì)EX僅與兩接點(diǎn)處的溫度，并且兩接點(diǎn)的溫差在一定的溫度范圍內(nèi)有如下近似 關(guān)系式：Ex n a（t t ）0式中a稱為溫差電系數(shù)，對(duì)于不同金屬組成

17、的熱電偶，a是不同的，其數(shù)值上等于兩接點(diǎn)溫度差為1C時(shí)所 產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)。圖3為了測(cè)量溫差電動(dòng)勢(shì)，就需要在圖2的回路中接入電位差計(jì)，但測(cè)量?jī)x器的引入不能影響熱電偶原來的性 質(zhì)，例如不影響它在一定的溫差t-t0下應(yīng)有的電動(dòng)勢(shì)Ex值。要做到這一點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)是應(yīng)保證一定的條件。根 據(jù)伏打定律，即在A、B兩種金屬之間插入第三種金屬C時(shí)，若它與A、B的兩連接點(diǎn)處于不同一溫度t0（圖3），則該閉合回路的溫差電動(dòng)勢(shì)與上述只有A、B兩種金屬組成回路時(shí)的數(shù)值完全相同。所以，我們 把A、B兩根不同化學(xué)成分的金屬絲的一端焊在一起，構(gòu)成熱電偶的熱端（工作端）。將另兩端各與銅引線（既第三種金屬C）焊接，構(gòu)成兩個(gè)同溫度（t0）

18、的冷端（自由端）。銅引線與電位差計(jì)相連，這樣就組成 一個(gè)熱電偶溫度計(jì)。如圖4所示。通常將冷端置于于冰水混合物中，保持t0 = 0C，將熱端置于待測(cè)溫 度處，即可測(cè)得相應(yīng)的溫差電動(dòng)勢(shì)，在根據(jù)事先校正好的曲線或數(shù)據(jù)來求出溫度t。熱電偶溫度計(jì)，的優(yōu) 點(diǎn)是熱容量小，靈敏讀高，反應(yīng)迅速，測(cè)溫范圍廣，還能直接把非電學(xué)量溫度轉(zhuǎn)換成電學(xué)量。因此，在自 動(dòng)測(cè)溫、自動(dòng)空溫等系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。1、在UJ36a型直流電位差計(jì)機(jī)箱底部的電池中分別裝入1.5V及9V電池。2、將TC-型導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀面板上的冰接”兩接線柱與UJ36a “未知端”之間用導(dǎo)線連 接（注意極性）。3、UJ36a的量程開關(guān)向“ X0.2”。調(diào)節(jié)“調(diào)茵電位器，使檢流計(jì)指零。4、將扳鍵開關(guān)推向“標(biāo)準(zhǔn)，位置調(diào)節(jié)工作電流調(diào)節(jié)旋鈕使檢流計(jì)指零（般稱“工作電流標(biāo)準(zhǔn)化”）。5、將扳鍵開關(guān)打向“未知”，調(diào)節(jié)步進(jìn)測(cè)量盤和滑線盤，使檢流計(jì)指零，未知電動(dòng)勢(shì):E=（步進(jìn)盤示值+滑線盤示值）X0.26、在測(cè)量過程中，應(yīng)經(jīng)常使工作電流標(biāo)準(zhǔn)化，使測(cè)量精確。附錄4 PID智能溫度控制器該控制器是一種高性能、可靠好的智能型調(diào)節(jié)儀表，廣泛使用于機(jī)械化工